ISOIEC 11770-32021AMD12025 信息安全 密钥管理 第3部分使用非对称技术的机制 修改1基于身份的TFNS密钥协议标准立项发展报告

信息安全密钥管理第3部分：使用非对称技术的机制修改1：基于身份的TFNS密钥协议标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:InformationSecurity-KeyManagement-Part3:MechanismsUsingAsymmetricTechniques-Amendment1:TFNSIdentity-BasedKeyAgreement摘要关键词：密钥管理；非对称技术；基于身份密码学；TFNS协议；密钥协商；国际标准修订Keywords:KeyManagement;AsymmetricTechniques;Identity-BasedCryptography;TFNSProtocol;KeyAgreement;InternationalStandardAmendment一、引言1.1标准修订背景ISO/IEC11770系列标准是信息安全领域密钥管理的核心国际标准，由ISO/IECJTC1/SC27（信息安全、网络安全和隐私保护分技术委员会）负责制定和维护。该系列标准全面规定了密钥管理的框架、技术和机制，其中第3部分（ISO/IEC11770-3）专门针对使用非对称技术的密钥管理机制进行了系统规范，涵盖了公钥加密、数字签名、密钥协商等多种非对称密码机制的应用场景和实现要求。随着物联网（IoT）、车联网（V2X）、云计算和移动通信等新兴技术的迅猛发展，传统的基于证书的公钥基础设施（PKI）体系面临着日益严峻的挑战。在资源受限的终端设备上，证书的存储、验证和撤销管理往往带来难以承受的计算和带宽开销。与此同时，量子计算技术的快速进步对现有公钥密码体系构成了潜在威胁，业界对具有更高安全性和效率的密钥管理方案的需求愈发迫切。在此背景下，ISO/IECJTC1/SC27于2020年启动了ISO/IEC11770-3的修订工作计划，重点考虑将基于身份的密码学（Identity-BasedCryptography,IBC）领域的最新研究成果纳入标准体系。基于身份的密码体制由Shamir于1984年首次提出，其核心思想在于直接使用用户的身份标识（如电子邮件地址、IP地址、设备序列号等）作为公钥，从而消除了对数字证书的依赖和管理开销。经过数十年发展，基于身份的密钥协商机制在安全性和效率方面已经取得了显著进步，具备了服务实际应用的技术条件。1.2TFNS密钥协议概述TFNS密钥协议是以四位研究者（Tseng、Fan、Nojima、Suzuki）的姓氏首字母命名的基于身份的两方密钥协商协议。该协议在设计上充分考虑了现代通信环境对密钥协商效率和安全性的双重需求，具有以下显著技术特征：第一，无需证书管理。TFNS协议利用用户身份标识直接充当公钥，通信双方无需预先交换和验证数字证书，大幅降低了系统管理和通信开销。第二，强安全属性。该协议满足已知会话密钥安全性（Known-KeySecurity）、前向保密性（ForwardSecrecy）等密钥协商协议的核心安全要求，能够有效抵御多种主动和被动攻击。第三，高效计算性能。TFNS协议在设计上优化了双线性配对运算的使用次数和计算复杂度，使得在计算能力受限的移动设备和嵌入式系统中仍能保持良好的运行性能。第四，通信轮次精简。协议实现完整的双向密钥协商仅需较少的通信轮次，有效降低了网络延迟对协议执行的影响。二、标准修订立项依据2.1现有标准的局限性ISO/IEC11770-3:2021原有版本虽然已经涵盖了多种基于非对称技术的密钥管理机制，但在密钥协商机制的覆盖范围上仍存在明显不足。原有标准主要聚焦于基于证书的公钥密码体系下的密钥协商方案，对于新兴的基于身份的密钥协商机制涉及甚少。这种局限性在以下应用场景中表现得尤为突出：一是大规模物联网部署场景中，海量设备需要相互建立安全通信信道。传统PKI体系中证书的签发、分发和验证流程难以满足大规模设备快速安全接入的需求。二是应急通信和临时组网场景中，通信节点之间缺乏预先建立的信任关系，也没有可用的证书颁发机构（CA）服务，传统PKI体系在此类场景中基本无法运作。三是资源受限的嵌入式系统中，证书的存储空间开销和验证计算开销往往超出设备的承受能力。2.2修订的紧迫性与必要性从国际标准化工作的发展态势来看，基于身份的密码学标准化工作近年来取得了显著进展。国际标准化组织相继发布了一系列与身份基密码相关的标准文件，包括ISO/IEC14888-3中基于身份的签名机制、ISO/IEC11770-4中基于对称技术的密钥管理机制以及ISO/IEC11770-6中基于身份的密钥管理机制等。然而，ISO/IEC11770-3作为专门规范非对称密钥管理机制的标准，却迟迟未能纳入身份基密钥协商机制，形成了标准体系内部的技术覆盖缺口。与此同时，我国在基于身份密码学领域的研究和应用也取得了长足进步。我国已陆续发布了SM9标识密码算法等国家标准和行业标准，在基于标识的密码技术应用方面积累了丰富的实践经验。推动TFNS等身份基密钥协商机制纳入ISO/IEC11770-3标准体系，有利于促进我国密码技术标准与国际标准的协调一致，提升我国在信息安全国际标准化领域的话语权和影响力。三、标准主要技术内容3.1协议框架设计ISO/IEC11770-3:2021/AMD1:2025在原有标准框架的基础上，新增了基于身份的TFNS密钥协议的完整规范。协议框架主要包括以下核心要素：系统初始化阶段：私钥生成器（PrivateKeyGenerator,PKG）负责生成系统公开参数和主密钥。系统公开参数包括双线性群的描述参数、哈希函数、主公钥等，向所有用户公开；主密钥由PKG安全保存，用于为用户生成私钥。用户私钥提取阶段：用户向PKG提供其身份标识信息并经认证后，PKG利用主密钥和用户的身份标识计算生成用户的私钥，并通过安全信道交付给用户。用户获得的私钥对应其身份标识，无需额外生成和绑定公钥证书。密钥协商阶段：通信双方利用各自的私钥和对方的身份标识，通过TFNS协议规定的计算流程，共同协商出会话密钥。协议设计确保了双方计算得到的会话密钥一致，且任何第三方（包括PKG之外的参与者）无法获知该会话密钥。3.2TFNS协议技术细节TFNS密钥协议的核心技术路径可以概括为以下几个关键步骤：第一步：参数协商。通信双方（假设为实体A和实体B）首先确认使用的系统公开参数，包括椭圆曲线群、双线性配对函数以及相关哈希函数。第二步：临时公钥生成。实体A选择随机数作为临时私密值，并计算相应的临时公钥，将临时公钥连同自身身份标识发送给实体B。实体B执行类似操作，将自身的临时公钥和身份标识发送给实体A。第三步：会话密钥计算。实体A利用自身的私钥、对方的身份标识、对方发送的临时公钥以及自身选择的随机数，通过特定计算公式生成会话密钥。实体B以对称方式利用自身私钥、对方身份标识、对方临时公钥和自身随机数计算得到相同的会话密钥值。第四步：密钥确认（可选）。根据应用场景的安全需求，通信双方可以通过交换消息认证码等方式对协商得到的会话密钥进行一致性确认。从安全机制设计的角度审视，TFNS协议的安全性建立在计算性Diffie-Hellman问题（CDH问题）和双线性Diffie-Hellman问题（BDH问题）的困难性假设之上。通过对协议消息流和密钥计算函数的精心构造，TFNS协议实现了对多种已知攻击的抵抗能力。3.3安全属性分析根据标准技术文本和安全分析报告，TFNS密钥协议具备以下核心安全属性：已知会话密钥安全性：即使攻击者获取了某个会话的密钥，也无法利用该信息推导出其他会话的密钥，确保了不同会话之间密钥的相互独立性。前向保密性：即使参与通信实体的长期私钥在某个时间点遭到泄露，此前已经建立的会话密钥仍然保持安全，有效保护了历史通信内容的机密性。抗密钥泄露伪装攻击：即使实体A的长期私钥泄露，攻击者也无法伪装成实体A与实体B进行密钥协商，因为攻击者仍然缺乏实体A的身份绑定信息所必需的额外机密要素。抗临时私密值泄露攻击：即使通信方某一方的临时随机值泄露，攻击者仍然无法重构出最终的会话密钥，增加了协议的安全性纵深。不可否认性支持：由于用户公钥直接来源于其身份标识，密钥协商过程本身即提供了参与方身份的确定绑定关系，为事后审计和不可否认性提供了基础支撑。四、标准修订过程4.1修订工作阶段划分ISO/IEC11770-3:2021/AMD1:2025标准修订项目的推进严格按照ISO/IECJTC1的标准化工作程序执行，主要经历了以下几个关键阶段：研究提案阶段（2021年至2022年）：SC27/WG2（密码学与安全机制工作组）组织专家对基于身份的密钥协商机制进行了深入的技术调研和需求分析，评估了多种候选协议方案的安全性和适用性，最终确定以TFNS协议为基础起草标准修订提案。工作草案阶段（2022年至2023年）：项目编辑在WG2专家的支持下完成了标准修订工作草案的编制，草案详细描述了TFNS协议的技术规范、安全说明和应用指南。工作草案在SC27内部进行了多轮讨论和修订。委员会草案阶段（2023年下半年）：经过WG2内部充分讨论和修改完善后，形成了委员会草案（CD），分发给SC27各国家成员体进行投票和意见征集。各成员国围绕协议的安全性证明、实现兼容性等问题提出了大量建设性意见。国际标准草案阶段（2024年）：委员会草案经修改后形成国际标准草案（DIS），并进入最终投票程序。在DIS阶段，技术文本得到了进一步的精炼和完善。正式发布阶段（2025年）：经过各项审批程序后，ISO/IEC11770-3:2021/AMD1:2025于2025年4月28日正式发布，标准状态为“现行”。4.2主要技术讨论焦点在标准修订过程中，专家组围绕以下几个关键技术问题进行了深入讨论：一是协议参数选择问题。专家组就TFNS协议中双线性配对类型的选择进行了充分论证，综合权衡了计算效率、安全强度与实现复杂度等因素，最终推荐了适合不同应用场景的多种参数配置方案。二是与现有标准的兼容性问题。专家组确保了新增的TFNS协议机制与ISO/IEC11770系列其他部分所定义的密钥管理框架、安全模型和符号体系保持一致，维持了标准体系的内部一致性。三是安全性声明的严谨性问题。工作组在标准文本中明确界定了TFNS协议所依赖的安全假设和适用边界条件，避免了对协议安全性的过度声明，保障了技术描述的严谨性和可信度。五、主要起草单位介绍5.1日本情报通信研究机构（NICT）ISO/IEC11770-3:2021/AMD1:2025标准修订项目中，日本情报通信研究机构（NationalInstituteofInformationandCommunicationsTechnology,NICT）作为核心技术贡献单位发挥了重要作用。NICT是日本总务省下属的国立研究和开发法人机构，是日本在信息通信领域最重要的综合性研究机构之一。该机构总部位于东京都小金井市，拥有多个专业研究实验室和跨学科研究团队，研究领域涵盖下一代通信网络、信息安全、量子通信、人工智能等前沿方向。在密码学与信息安全研究方向，NICT长期致力于公钥密码理论、安全协议设计以及密码分析等领域的基础研究和应用开发工作。该机构设有专门的信息安全研究室，研究团队在基于身份密码学、属性基加密、匿名认证等前沿方向取得了一系列重要研究成果。NICT的密码研究人员深度参与了ISO/IECJTC1/SC27的多项国际标准制定工作，在密钥管理、密码机制等标准项目中持续输出技术方案和研究成果。在ISO/IEC11770-3:2021/AMD1:2025的修订工作中，NICT专家团队主要负责TFNS协议安全模型的建立和安全性分析论证工作，提出了系统化的安全属性定义和形式化证明框架，为标准技术文本的严谨性提供了坚实的理论支撑。同时，NICT还在协议的实现验证方面开展了大量工作，完成了多组参数配置下的性能测试和互操作性验证，积累了丰富的工程实践经验。NICT的代表性专家长期担任ISO/IECJTC1/SC27/WG2的日本代表团成员，在密码学与安全机制标准化领域具有广泛的国际影响力。除本标准的制定工作外，NICT专家还积极参与了ISO/IEC18033（加密算法）、ISO/IEC14888（带附录的数字签名）等多个关键密码标准的制修订工作，在国际密码标准化领域发挥着重要的引领作用。六、标准推广应用价值6.1经济效益分析ISO/IEC11770-3:2021/AMD1:2025的发布为相关产业提供了统一的技术规范和实施指引，具有显著的经济效益。首先，在物联网安全领域，该标准的实施可以有效降低大规模设备密钥管理的总体拥有成本。基于证书的传统方案需要对每台设备进行证书签发、分发、存储和验证，涉及复杂的PKI基础设施建设和运维投入。而基于身份的TFNS密钥协议省去了证书管理的各个环节，大幅降低了系统建设成本和运维复杂度，特别适合海量物联网设备的应用场景。6.2社会效益分析从社会效益的角度来看，该标准的实施对于提升我国信息安全产业的整体技术水平和标准化能力具有积极的推动作用。一方面，标准的发布将促进基于身份密码技术的规范化应用，有助于消除因技术实现差异带来的安全风险，提升关键信息基础设施和重要信息系统的安全保障能力。另一方面，通过积极参与国际标准的修订工作，我国学者和产业界能够更好地把握国际密码技术发展的最新动态和趋势方向，为我国密码科技自主创新提供有益的参考和借鉴。6.3对我国密码标准化工作的启示ISO/IEC11770-3:2021/AMD1:2025的修订经验对我国密码标准化工作提供了以下几点有价值的启示：第一，应持续加强基于身份密码学领域的理论研究和工程实践，密切关注国际标准的最新演进动态，适时推动相关研究成果向国家标准和行业标准的转化。第二，应积极参与国际标准制修订工作，在国际标准化平台中主动提出中国方案、贡献中国智慧，提升我国在信息安全国际标准化领域的影响力和话语权。第三，应加强标准之间的协调配套，系统梳理我国现有密码标准体系中与身份基密码相关的标准条目，完善标准体系结构，形成衔接有序、协调配套的标准体系。七、结论与展望ISO/IEC11770-3:2021/AMD1:2025《信息安全密钥管理第3部分：使用非对称技术的机制修改1：基于身份的TFNS密钥协议》的正式发布，标志着基于身份的密钥协商机制正式纳入国际非对称密钥管理标准体系，是密钥管理国际标准化工作的一项重要里程碑。本标准的发布具有多方面的重要意义。在技术层面，TFNS密钥协议的纳入丰富了ISO/IEC11770-3的机制覆盖范围，为物联网、车联网、云计算等新兴应用场景提供了更加灵活高效的密钥协商解决方案。在标准体系层面，本次修订填补了ISO/IEC11770系列标准中身份基非对称密钥协商机制的空白，促进了标准体系的完整性和协调性。在产业层面，统一的技术规范为产业链各方的研发和生产提供了明确指引，有助于降低系统集成的技术壁垒和市场准入门槛。展望未来，随着后量子密码技术的发展和成熟，基于身份的密钥管理机制将面临新的安全挑战和技术升级需求。可以预见，在后续的标准修订工作中，如何将后量子安全的身份基密钥协商机制纳入国际标准体系，将成为ISO/IECJTC1/SC27的重要研究课题。同时，随着我国商用密码技术的持续进步和国际合作的不断深化，我国密码标准化工作必将在国际标准舞台上发挥更加重要的作用，为全球网络空间安全治理贡献更多的中国方案和中国力量。参考文献[1]ISO/IEC11770-3:2021/AMD1:2025,Informationsecurity-